為汽車DC馬達選擇靈活橋式驅動器

作者 : Giuseppe Maimone/意法半導體(ST)汽車產品事業部資深技術行銷工程師

DC馬達在汽車應用領域十分常見,被廣泛用於各種汽車系統,包括車門、後視鏡、座椅和泵。結構簡單、成本低廉的特點使其成為汽車系統設計人員的首選解決方案。

DC馬達在汽車應用領域十分常見,被廣泛用於各種汽車系統,包括車門、後視鏡、座椅和泵。結構簡單、成本低廉的特點使其成為汽車系統設計人員的首選解決方案。

DC馬達有三個主要零件:產生磁場的定子、承載馬達線圈的轉子、向線圈傳輸電流的電刷。將電源連至馬達的兩個接線端子後,電流將會流到轉子線圈。如果線圈上的電流強度足以讓馬達和負載產生轉矩,馬達將會旋轉。

馬達通常採用PWM技術控制轉速和轉矩。此外,如果馬達旋轉方向在實際應用中必須變化,則必須改變馬達兩個端子上的電源電壓。基於這些需求,採用四個開關按照要求將電源電壓連到馬達的兩個接線端子上的H橋是典型的雙向DC馬達控制解決方案。

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圖1 H橋配置。


意法半導體的L99H01是汽車馬達驅動器晶片,整合四個閘極驅動器來控制H橋內的四個外部N通道MOSFET。結構簡單,驅動靈活,使其適用於各種汽車系統。透過驅動器內部SPI介面,外部微控制器可讀取診斷資訊,還可以設置驅動器的多個功能,滿足實際應用需求。

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圖2 L99H01框圖和應用示意圖


驅動器內建一個兩級電荷泵,這樣設計有多個好處。以較低的輸入電壓驅動H橋外部MOSFET,盡可能節省外部元件(只需三個電容),以100%占空比驅動馬達。此外,電荷泵的輸出電壓還可用於驅動電池極性接反保護電路的附加MOSFET。

因為馬達在驅動電路內產生感性負載,為盡可能降低耗散功率,在應用PWM控制技術時,必須為馬達電流設計正確的閉合迴路。L99H01讓設計人員能靈活選擇續流迴路策略。此外,透過正確選擇續流迴路,再配合一個外部微控制器,驅動器可以在實際應用中進行功能性安全測試。

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圖3 L99H01續流方法選擇


透過使用L99H01內部的一個或兩個電流感測放大器(CSA),可以測量流經H橋的電流。這些放大器有很多特別的地方。因為放大器輸入接受高壓,所以可在接地端、電源線或直接串聯馬達測量電流,讓用戶滿足不同的需求和策略要求。

此外,可透過SPI串列設置放大器的增益,為應用開發帶來更高的靈活性。還可對放大器執行失調校正,降低放大器本身失調對電流測量結果的負面影響。內部Watch Dog計時器監視外部微控制器,提升應用層面的安全性;萬一Watch Dog發現微控制器異常,內部MOSFET閘極驅動器則會被禁用。

L99H01可防範潛在危害性事件入侵驅動器和系統,具有欠壓保護以及可設置過壓保護(透過SPI)功能;如果在電源供應端發現這些事件,閘極驅動器將被禁用,並透過SPI介面上報微控制器。

假如馬達的接線柱意外對地短路或對電源短路,L99H01則監視橋上每個被啟動電晶體的漏源電壓,以保護外部MOSFET管。如果源/汲極電壓高於預設閾值,且持續時間大於內部濾波時間,則驅動器關閉受影響的電晶體,並透過SPI串列上報事件。使用者可按實際照應用情況(即MOSFET電阻和流經橋式的電流)調整電壓感測閾值,透過SPI介面從四個數值中選擇一個設為閾值。

當同一半橋內的高低壓側MOSFET換向(commutate)時,在一個電晶體的關斷與另一個電晶體的導通之間引入死區時間(dead time)非常重要,否則兩個電晶體可能同時導通,引起從電源流向接地方向的逆流。使用者可透過SPI介面按照實際需求選擇多個閾值。當開關同一橋臂上的電晶體時,L99H01自動啟用可設置的死區時間。

作為一個深入保護機制,L99H01可感測內外部熱事件,並做出相應的反應。該產品可感測內部過熱初期狀況,並透過SPI介面向外部微控制器報警。這樣,微控制器可採取一些應對措施,以降低驅動器本身和系統的溫度。假如晶片內部溫度進一步上升,則晶片進入過熱關斷模式,禁用閘極驅動器和電荷泵。

此外,外部溫度感測器(如燈條)可連至 L99H01的專用輸入端。當這個接腳上的電壓降至閾值以下時,驅動器關閉閘極驅動器,以保護橋式。按照當前應用設計的特性,用戶可透過SPI選擇閾壓。值得一提的是,當施加外部數位訊號時,這個輸入可用於禁用閘極驅動器。

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